增效剂对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的试验研究

2020-11-30王海涛张峰贾雷徐锦富刘子香

商品混凝土 2020年5期

王海涛，张峰，贾雷，徐锦富，刘子香

（1. 天津市飞龙砼外加剂有限公司，天津 300400；2. 天津市美城商品混凝土有限公司，天津 300304）

0 前言

随着建筑业的迅速发展，作为需求量较大的建筑材料之一，混凝土的使用和发展备受关注。在保证混凝土使用质量的情况下如何降低其生产成本，是混凝土行业所面临的首要任务。研究表明，混凝土中有超过 20%的水泥不能充分进行水化反应，只起到填充作用，因而对于未水化水泥是一种浪费，不能充分发挥其作用。由于常用减水剂与水泥作用机理的局限性，当减水剂掺加到一定量时，对混凝土不再发挥减水作用，导致难以保障其经济效益。如何在保证经济效益的前提下，使剩余20% 的水泥发挥作用，是目前混凝土行业所面临的重点难题与考验。

由于京津冀的快速发展，造成混凝土原材料供应紧张且原材料品质也有所下降，公司研发团队近几年针对京津冀混凝土原材料的现状做了大量深入研究，研发出 JFL-W310 型混凝土增效剂，该产品是一种区别于混凝土减水剂的新型混凝土外加剂，通过超强稳泡官能团及悬浮颗粒基团合成技术，并根据京津冀现场复杂多变的材料，不断优化产品体系，其中多种有机和无机离子的协同增溶作用通过对水泥颗粒的优先和持续的吸附，减少了水泥颗粒对聚羧酸减水剂的吸附，并维持了液相中减水剂的浓度，并有效地控制了混凝土的坍落度损失和保证了混凝土力学性能。其形态多为无色、浅黄或浅褐色半透明液体，且不含氯离子、无碱，少量减水和引气，其主要特点是在同水胶比大坍落情况下能有效改善和提升混凝土的工作性能，缓解高层泵送困难的问题，并且在同水胶比下促进水泥颗粒的充分水化，达到相同强度时能减少 10%～15% 的水泥用量。该产品通过天津建材协会组织的专家组审察及权威检测机构的检验，且公司通过提供强有力的技术支持和服务，使该产品成功应用在天津及周边城市工民建、市政路桥及城市地铁轨道交通工程中，大大提升了当地混凝土企业在国内混凝土市场的竞争能力，有效地节约了社会资源。

1 原材料情况及混凝土试验用配合比

1.1 原材料选用情况

选用京津冀地区市场占有率高且有代表性的三家水泥：冀东 P·O42.5 水泥、金隅振兴 P·O42.5 水泥、唐山圣龙 P·O42.5 水泥。

矿粉：天钢 S95 级矿粉。

粉煤灰：天津军电Ⅱ级粉煤灰。

天津飞龙 JFL-2C 型聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）。

天津飞龙 JFL-W310 混凝土增效剂。

碎石：连续级配 5～25mm 碎石。

河砂：细度模数 2.6，Ⅱ 区中砂，绥中砂。

水：自来水。

1.2 试验方案

基准配合比与加增效剂每方降低 20kg 水泥及在基准配合比基础上直接加入增效剂后（见表 1），对新拌混凝土的工作性（见表 2）及硬化混凝土的力学性能（见表 3）、耐久性能（见表 4）的综合考察。

混凝土拌合物性能对比试验按照现行标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行检测；力学性能按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》对设计的掺加和不掺加增效剂的基准配合比进行力学性能测试对比试验；耐久性能按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》快速评价混凝土抵抗氯离子渗透的能力。

耐久性检测部分设备见图 1 和图 2。图 1 为 PDR 快速冻融循环试验机，图 2 为 FDW-Ⅱ-8 电通量智能测定仪。

表 1 采用不同水泥加增效剂与基准混凝土试验配合比

表 2 基准配合比与掺增效剂混凝土拌合物性能

图 1 冻融循环试验机

图 2 电通量智能测定仪

2 混凝土工作性能、力学性能及耐久性能试验结果

2.1 混凝土拌合物性能

新拌混凝土工作性的好坏直接影响到工程中下一道工序的开展，只有混凝土拌合物满足了工作性能满足要求，混凝土的后期力学性能、耐久性能才能得以保障。结合商品混凝土搅拌站工地路程的实际情况，本文加增效剂后对混凝土工作性能的判定主要为新拌混凝土出机的和易性、粘聚性、保水性，并通过坍落度、扩展度的经时损失保留值等具体检测数值来进行综合评判，试验结果见表 2。

由表 2 可以看出，针对三种不同厂家的水泥，加增效剂后每方降低 20kg 水泥后，混凝土出机工作性能与基准相差不大，在保持基准配合比胶材总量不变的情况下，对混凝土的出机工作性改善较为明显，表现为混凝土增加了流速的同时，混凝土的和易性、粘聚性也有所改善，1.5h 经时损失坍落度保留值改善较为明显；出机含气量略微有所提高，针对部分水泥相较于基准配合比含气量损失变小；混凝土凝结时间因不同水泥自身水化热的不同加增效剂后与基准配合比相比无明显变化；增加增效剂增加流动性的同时泌水率没有太大变化。

2.2 混凝土力学性能

混凝土力学性能检测从混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量等检测项目进行考察；混凝土结构设计是以混凝土抗压强度（混凝土强度等级）为依据，其他的力学性能指标如劈拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量等，是根据混凝土抗压强度按照结构性能评定过程中，特别是对火灾后结构混凝土的性能评定有时需要这些参数的实测值，本文主要从以上几方面检测指标综合进行评判掺入增效剂后对混凝土力学性能的影响。试验结果见表 3。

由表 3 数据可以看出，增效剂掺量为胶凝材料0.6% 时，每方降低 20kg 水泥后与基准配合比相比力学性能各项指标相差不大；同胶材试验结果表明，增加增效剂后混凝土与基准配合比相比，其 3d、7d 早期强度略有所提高，提高幅度不大，28d、56d 后期强度同条件下提高近 2.5～4.5MPa；其他力学性能轴压强度和静弹性模量指标无明显差距。早期及后期抗压强度结果如图 3 所示。

表 3 掺加增效剂混凝土力学性能

一般，混凝土拉压比随着强度等级的提高而逐渐减小，特别是普通混凝土的拉压比降幅随着强度等级升高而加大。通过本轮力学性能试验发现，加了增效剂后拉压比相比总体上有小幅度提高，近 1.2%～1.9%，分析其原因，可能是由于增效剂含有较强的极性基团，可以使混凝土内部的微电场分布更加均匀，增加了胶凝材料与骨料间的粘结力，使混凝土受压和受拉破坏形态上有轻微改善，保持了混凝土的整体稳定性，表现出良好的延展性，有利于改善混凝土的劈拉抗拉性能；同时因增效剂的聚合度大，也使混凝土的抗裂性能提高，从而提高了拉压比。结果如图 4 所示。

图 3 加增效剂与基准配合比强度对比结果

图 4 后期拉压比试验结果图

2.3 混凝土耐久性

混凝土的抗渗性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。采用 ASTM C1202 快速试验方法测得的电量反映了混凝土的抗离子的渗透性能。

京津冀地处华北地区，特别是天津地区工程类别中又以水工、港工、路桥较为突出，因此，根据不同环境作用等级的要求通过对混凝土配比的优化设计和混凝土原材料的选择来提高混凝土冻融耐久性的指标尤为重要；混凝土所处环境凡是有正负温交替、混凝土内部含有较多水的情况，混凝土都会发生冻融循环，以至疲劳破坏。因此，混凝土的抗冻融性能是混凝土耐久性的最具代表性的指标，为此，国内外众多学者在混凝土冻融性能上，从宏观到亚微观（气泡参数等）均做了大量的研究，制定了混凝土建筑物在不同环境运行条件下的抗冻耐久性设计要求。

海岸工程和近海工程，由于受到海水和盐雾的物理和化学作用，钢筋混凝土遭受腐蚀破坏的严重程度一般要比内地的建筑物严重，化学作用主要包括海水中的硫酸盐、镁盐及氯盐等腐蚀性介质对混凝土的侵蚀；物理作用包括反复干湿作用的盐结晶压力等。以天津大港地区为例，其盐土土壤中含有多种硫酸盐，硫酸根离子（SO42-）含量为 0.28%，其对混凝土的腐蚀属于硫酸盐腐蚀；盐土土壤中氯离子含量为 2.62%，容易使钢筋出现“坑蚀”现象，另外土壤中还存在其他的腐蚀介质。本文结合天津地区的特殊环境作用条件，从电通量、冻融循环、抗硫酸盐耐蚀等几项指标来综合评价增加增效剂后对混凝土耐久性的影响。试验结果见表 4。

表 4 掺加增效剂混凝土耐久性能

按照混凝土抗硫酸盐侵蚀试验的规范要求，硫酸盐侵蚀时间 t 时间后，当试件抗折强度低于初始抗折强度80% 时，可以认定该混凝土的耐久性丧失。

由表 4 检测数据得出，加入增效剂后混凝土 56d电通量均有所下降（图 5），电通量检测指标均小于800C，满足环境作用等级 E 级 100 年使用年限级别标准要求；由试验数据得出，在使用聚羧酸高性能减水剂的基础上加入增效剂后两者具有协同效应，混凝土耐蚀系数也有所提高，均达到设计指标＞0.8% 的要求；因混凝土增效剂自身不含碱和氯离子，最终混凝土的总碱量和氯离子含量与基准相比没有明显变化，JFL- W301增效剂产品在地铁工程应用中混凝土氯离子含量现场抽检均能满足设计指标要求。